Рентгеновское излучение и рентгеновские аппараты

Размещено на http://www.allbest.ru/

НЕКОММЕРЧЕСКОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

Центр обучения и профессиональной подготовки

"СОЮЗМЕДСЕРВИС"

КУРСОВАЯ РАБОТА

по программе повышения квалификации:

Рентгеновское излучение

Выполнил

Специалист: Икрянников В.В.

Содержание

Введение

Получение рентгеновского излучения

Обнаружение рентгеновского излучения

Рентгеновская и гамма-дефектоскопия

Дифракция рентгеновского излучения

Методы дифракционного анализа

Спектрохимический рентгеновский анализ

Медицинская рентгенодиагностика

Биологическое действие рентгеновского излучения

Опасные факторы рентгеновского излучения

Описание технических параметров рентген-аппаратов

Особенности технического обслуживания

Заключение

Список использованных источников

Введение

Рентгеновское излучение, невидимое излучение, способное проникать, хотя и в разной степени, во все вещества. Представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны порядка 10-8 см.

Как и видимый свет, рентгеновское излучение вызывает почернение фотопленки. Это его свойство имеет важное значение для медицины, промышленности и научных исследований. Проходя сквозь исследуемый объект и падая затем на фотопленку, рентгеновское излучение изображает на ней его внутреннюю структуру. Поскольку проникающая способность рентгеновского излучения различна для разных материалов, менее прозрачные для него части объекта дают более светлые участки на фотоснимке, чем те, через которые излучение проникает хорошо. Так, костные ткани менее прозрачны для рентгеновского излучения, чем ткани, из которых состоит кожа и внутренние органы. Поэтому на рентгенограмме кости обозначатся как более светлые участки и более прозрачное для излучения место перелома может быть достаточно легко обнаружено. Рентгеновская съемка используется также в стоматологии для обнаружения кариеса и абсцессов в корнях зубов, а также в промышленности для обнаружения трещин в литье, пластмассах и резинах.

Рентгеновское излучение используется в химии для анализа соединений и в физике для исследования структуры кристаллов. Пучок рентгеновского излучения, проходя через химическое соединение, вызывает характерное вторичное излучение, спектроскопический анализ которого позволяет химику установить состав соединения. При падении на кристаллическое вещество пучок рентгеновских лучей рассеивается атомами кристалла, давая четкую правильную картину пятен и полос на фотопластинке, позволяющую установить внутреннюю структуру кристалла.

Применение рентгеновского излучения при лечении рака основано на том, что оно убивает раковые клетки. Однако оно может оказать нежелательное влияние и на нормальные клетки. Поэтому при таком использовании рентгеновского излучения должна соблюдаться крайняя осторожность.

Рентгеновское излучение было открыто немецким физиком В.Рентгеном (1845-1923). Его имя увековечено и в некоторых других физических терминах, связанных с этим излучением: рентгеном называется международная единица дозы ионизирующего излучения; снимок, сделанный в рентгеновском аппарате, называется рентгенограммой; область радиологической медицины, в которой используются рентгеновские лучи для диагностики и лечения заболеваний, называется рентгенологией.

Рентген открыл излучение в 1895, будучи профессором физики Вюрцбургского университета. Проводя эксперименты с катодными лучами (потоками электронов в разрядных трубках), он заметил, что расположенный вблизи вакуумной трубки экран, покрытый кристаллическим цианоплатинитом бария, ярко светится, хотя сама трубка закрыта черным картоном. Далее Рентген установил, что проникающая способность обнаруженных им неизвестных лучей, которые он назвал Х-лучами, зависит от состава поглощающего материала. Он получил также изображение костей собственной руки, поместив ее между разрядной трубкой с катодными лучами и экраном с покрытием из цианоплатинита бария. За открытием Рентгена последовали эксперименты других исследователей, обнаруживших много новых свойств и возможностей применения этого излучения. Большой вклад внесли М.Лауэ, В.Фридрих и П.Книппинг, продемонстрировавшие в 1912 дифракцию рентгеновского излучения при прохождении его через кристалл; У.Кулидж, который в 1913 изобрел высоковакуумную рентгеновскую трубку с подогретым катодом; Г.Мозли, установивший в 1913 зависимость между длиной волны излучения и атомным номером элемента; Г. и Л.Брэгги, получившие в 1915 Нобелевскую премию за разработку основ рентгеноструктурного анализа.

Получение рентгеновского излучения

Рентгеновское излучение возникает при взаимодействии электронов, движущихся с большими скоростями, с веществом. Когда электроны соударяются с атомами какого-либо вещества, они быстро теряют свою кинетическую энергию. При этом большая ее часть переходит в тепло, а небольшая доля, обычно менее 1%, преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Эта энергия высвобождается в форме квантов - частиц, называемых фотонами, которые обладают энергией, но масса покоя которых равна нулю. Рентгеновские фотоны различаются своей энергией, обратно пропорциональной их длине волны. При обычном способе получения рентгеновского излучения получают широкий диапазон длин волн, который называют рентгеновским спектром.

Широкий «континуум» называют непрерывным спектром или белым излучением. Налагающиеся на него острые пики называются характеристическими рентгеновскими линиями испускания. Хотя весь спектр есть результат столкновений электронов с веществом, механизмы возникновения его широкой части и линий разные. Вещество состоит из большого числа атомов, каждый из которых имеет ядро, окруженное электронными оболочками, причем каждый электрон в оболочке атома данного элемента занимает некоторый дискретный уровень энергии. Обычно эти оболочки, или энергетические уровни, обозначают символами K, L, M и т.д., начиная от ближайшей к ядру оболочки. Когда налетающий электрон, обладающий достаточно большой энергией, соударяется с одним из связанных с атомом электронов, он выбивает этот электрон с его оболочки. Опустевшее место занимает другой электрон с оболочки, которой соответствует большая энергия. Этот последний отдает избыток энергии, испуская рентгеновский фотон. Поскольку электроны оболочек имеют дискретные значения энергии, возникающие рентгеновские фотоны тоже обладают дискретным спектром. Этому соответствуют острые пики для определенных длин волн, конкретные значения которых зависят от элемента-мишени. Характеристические линии образуют K-, L- и M-серии, в зависимости от того, с какой оболочки (K, L или M) был удален электрон. Соотношение между длиной волны рентгеновского излучения и атомным номером называется законом Мозли.

Рентгеновское излучение можно получать не только электронной бомбардировкой, но и облучением мишени рентгеновским же излучением от другого источника. В этом случае, однако, большая часть энергии падающего пучка переходит в характеристический рентгеновский спектр и очень малая ее доля приходится на непрерывный. Очевидно, что пучок падающего рентгеновского излучения должен содержать фотоны, энергия которых достаточна для возбуждения характеристических линий бомбардируемого элемента. Высокий процент энергии, приходящейся на характеристический спектр, делает такой способ возбуждения рентгеновского излучения удобным для научных исследований.

Рентгеновские трубки. Чтобы получать рентгеновское излучение за счет взаимодействия электронов с веществом, нужно иметь источник электронов, средства их ускорения до больших скоростей и мишень, способную выдерживать электронную бомбардировку и давать рентгеновское излучение нужной интенсивности. Устройство, в котором все это есть, называется рентгеновской трубкой. Ранние исследователи пользовались «глубоко вакуумированными» трубками типа современных газоразрядных. Вакуум в них был не очень высоким.

В газоразрядных трубках содержится небольшое количество газа, и когда на электроды трубки подается большая разность потенциалов, атомы газа превращаются в положительные и отрицательные ионы. Положительные движутся к отрицательному электроду (катоду) и, падая на него, выбивают из него электроны, а они, в свою очередь, движутся к положительному электроду (аноду) и, бомбардируя его, создают поток рентгеновских фотонов.

В современной рентгеновской трубке, разработанной Кулиджем (рис. 3), источником электронов является вольфрамовый катод, нагреваемый до высокой температуры. Электроны ускоряются до больших скоростей высокой разностью потенциалов между анодом (или антикатодом) и катодом. Поскольку электроны должны достичь анода без столкновений с атомами, необходим очень высокий вакуум, для чего нужно хорошо откачать трубку. Этим также снижаются вероятность ионизации оставшихся атомов газа и обусловленные ею побочные токи.

Конструкция рентгеновских трубок может быть разной в зависимости от условий применения и предъявляемых требований.

Обнаружение рентгеновского излучения

Все методы обнаружения рентгеновского излучения основаны на их взаимодействии с веществом. Детекторы могут быть двух видов: те, которые дают изображение, и те, которые его не дают. К первым относятся устройства рентгеновской флюорографии и рентгеноскопии, в которых пучок рентгеновского излучения проходит через исследуемый объект, а прошедшее излучение попадает на люминесцентный экран или фотопленку. Изображение возникает благодаря тому, что разные части исследуемого объекта поглощают излучение по-разному - в зависимости от толщины вещества и его состава. В детекторах с люминесцентным экраном энергия рентгеновского излучения превращается в непосредственно наблюдаемое изображение, а в рентгенографии оно регистрируется на чувствительной эмульсии и его можно наблюдать лишь после проявления пленки.

Ко второму типу детекторов относятся самые разнообразные устройства, в которых энергия рентгеновского излучения преобразуется в электрические сигналы, характеризующие относительную интенсивность излучения. Сюда входят ионизационные камеры, счетчик Гейгера, пропорциональный счетчик, сцинтилляционный счетчик и некоторые специальные детекторы на основе сульфида и селенида кадмия. В настоящее время наиболее эффективными детекторами можно считать сцинтилляционные счетчики, хорошо работающие в широком диапазоне энергий.

Детектор выбирается с учетом условий задачи. Например, если нужно точно измерить интенсивность дифрагированного рентгеновского излучения, то применяются счетчики, позволяющие произвести измерения с точностью до долей процента. Если же нужно зарегистрировать очень много дифрагированных пучков, то целесообразно пользоваться рентгеновской пленкой, хотя в этом случае определить интенсивность с той же точностью невозможно.

Рентгеновская и гамма-дефектоскопия

Одно из наиболее распространенных применений рентгеновского излучения в промышленности - контроль качества материалов и дефектоскопия. Рентгеновский метод является неразрушающим, так что проверяемый материал, если он найден удовлетворяющим необходимым требованиям, может затем использоваться по назначению.

И рентгеновская, и гамма-дефектоскопия основаны на проникающей способности рентгеновского излучения и особенностях его поглощения в материалах. Проникающая способность определяется энергией рентгеновских фотонов, которая зависит от ускоряющего напряжения в рентгеновской трубке. Поэтому толстые образцы и образцы из тяжелых металлов, таких, например, как золото и уран, требуют для их исследования рентгеновского источника с более высоким напряжением, а для тонких образцов достаточно источника и с более низким напряжением. Для гамма-дефектоскопии очень крупных отливок и крупного проката применяются бетатроны и линейные ускорители, ускоряющие частицы до энергий 25 МэВ и более.

Поглощение рентгеновского излучения в материале зависит от толщины поглотителя d и коэффициента поглощения m и определяется формулой I = I0e-md, где I - интенсивность излучения, прошедшего через поглотитель, I0 - интенсивность падающего излучения, а e = 2,718 - основание натуральных логарифмов.

Для данного материала при данной длине волны (или энергии) рентгеновского излучения коэффициент поглощения является константой. Но излучение рентгеновского источника не является монохроматичным, а содержит широкий спектр длин волн, вследствие чего поглощение при одной и той же толщине поглотителя зависит от длины волны (частоты) излучения.

Рентгеновское излучение широко применяется во всех отраслях промышленности, связанных с обработкой металлов давлением. Оно также применяется для контроля артиллерийских стволов, пищевых продуктов, пластмасс, для проверки сложных устройств и систем в электронной технике. (Для аналогичных целей применяется и нейтронография, в которой вместо рентгеновского излучения используются нейтронные пучки.) Рентгеновское излучение применяется и для других задач, например, для исследования полотен живописи с целью установления их подлинности или для обнаружения добавочных слоев краски поверх основного слоя.

Дифракция рентгеновского излучения

Дифракция рентгеновского излучения дает важную информацию о твердых телах - их атомной структуре и форме кристаллов, а также о жидкостях, аморфных телах и больших молекулах. Дифракционный метод применяется также для точного (с погрешностью менее 10-5) определения межатомных расстояний, выявления напряжений и дефектов и для определения ориентации монокристаллов. По дифракционной картине можно идентифицировать неизвестные материалы, а также обнаружить присутствие в образце примесей и определить их. Значение рентгеновского дифракционного метода для прогресса современной физики трудно переоценить, поскольку современное понимание свойств материи основано в конечном счете на данных о расположении атомов в различных химических соединениях, о характере связей между ними и о дефектах структуры. Главным инструментом получения этой информации является дифракционный рентгеновский метод. Рентгеновская дифракционная кристаллография крайне важна для определения структур сложных больших молекул, таких, как молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) - генетического материала живых организмов.

Сразу после открытия рентгеновского излучения научный и медицинский интерес был сконцентрирован как на способности этого излучения проникать сквозь тела, так и на его природе. Эксперименты по дифракции рентгеновского излучения на щелях и дифракционных решетках показывали, что оно относится к электромагнитному излучению и имеет длину волны порядка 10-8-10-9 см. Еще раньше ученые, в частности У.Барлоу, догадывались, что правильная и симметричная форма естественных кристаллов обусловлена упорядоченным размещением атомов, образующих кристалл. В некоторых случаях Барлоу удалось правильно предсказать структуру кристалла. Величина предсказываемых межатомных расстояний составляла 10-8 см. То, что межатомные расстояния оказались порядка длины волны рентгеновского излучения, в принципе позволяло наблюдать их дифракцию. В результате возник замысел одного из самых важных экспериментов в истории физики. М.Лауэ организовал экспериментальную проверку этой идеи, которую провели его коллеги В.Фридрих и П.Книппинг. В 1912 они втроем опубликовали свою работу о результатах дифракции рентгеновского излучения.

Принципы дифракции рентгеновского излучения. Чтобы понять явление дифракции рентгеновского излучения, нужно рассмотреть по порядку: во-первых, спектр рентгеновского излучения, во-вторых, природу кристаллической структуры и, в-третьих, само явление дифракции.

Как уже говорилось выше, характеристическое рентгеновское излучение состоит из серий спектральных линий высокой степени монохроматичности, определяемых материалом анода. С помощью фильтров можно выделить наиболее интенсивные из них. Поэтому, выбрав соответствующим образом материал анода, можно получить источник почти монохроматического излучения с очень точно определенным значением длины волны. Длины волн характеристического излучения обычно лежат в диапазоне от 2,285 для хрома до 0,558 для серебра (значения для различных элементов известны с точностью до шести значащих цифр). Характеристический спектр накладывается на непрерывный «белый» спектр значительно меньшей интенсивности, обусловленный торможением в аноде падающих электронов. Таким образом, от каждого анода можно получить два типа излучения: характеристическое и тормозное, каждое из которых играет по-своему важную роль.

Атомы в кристаллической структуре располагаются с правильной периодичностью, образуя последовательность одинаковых ячеек - пространственную решетку. Некоторые решетки (например, для большинства обычных металлов) довольно просты, а другие (например, для молекул белков) весьма сложны.

Для кристаллической структуры характерно следующее: если от некоторой заданной точки одной ячейки сместиться к соответствующей точке соседней ячейки, то обнаружится точно такое же атомное окружение. И если некоторый атом расположен в той или иной точке одной ячейки, то в эквивалентной ей точке любой соседней ячейки будет находиться такой же атом. Этот принцип строго справедлив для совершенного, идеально упорядоченного кристалла. Однако многие кристаллы (например, металлические твердые растворы) являются в той или иной степени неупорядоченными, т.е. кристаллографически эквивалентные места могут быть заняты разными атомами. В этих случаях определяется не положение каждого атома, а лишь положение атома, «статистически усредненного» по большому количеству частиц (или ячеек).

Если волны (например, звук, свет, рентгеновское излучение) проходят через небольшую щель или отверстие, то последние могут рассматриваться как вторичный источник волн, а изображение щели или отверстия состоит из чередующихся светлых и темных полос. Далее, если имеется периодическая структура из отверстий или щелей, то в результате усиливающей и ослабляющей интерференции лучей, идущих от разных отверстий, возникает четкая дифракционная картина. Дифракция рентгеновского излучения - это коллективное явление рассеяния, при котором роль отверстий и центров рассеяния играют периодически расположенные атомы кристаллической структуры. Взаимное усиление их изображений при определенных углах дает дифракционную картину, аналогичную той, которая возникла бы при дифракции света на трехмерной дифракционной решетке.

Рассеяние происходит благодаря взаимодействию падающего рентгеновского излучения с электронами в кристалле. Вследствие того, что длина волны рентгеновского излучения того же порядка, что и размеры атома, длина волны рассеянного рентгеновского излучения та же, что и падающего. Этот процесс является результатом вынужденных колебаний электронов под действием падающего рентгеновского излучения.

Методы дифракционного анализа

Метод Лауэ.

В методе Лауэ применяется непрерывный «белый» спектр рентгеновского излучения, которое направляется на неподвижный монокристалл. Для конкретного значения периода d из всего спектра автоматически выбирается соответствующее условию Брэгга - Вульфа значение длины волны. Получаемые таким образом лауэграммы дают возможность судить о направлениях дифрагированных пучков и, следовательно, об ориентациях плоскостей кристалла, что позволяет также сделать важные выводы относительно симметрии, ориентации кристалла и наличия в нем дефектов. При этом, однако, утрачивается информация о пространственном периоде d.

Метод Дебая - Шеррера (для поликристаллических образцов). В отличие от предыдущего метода, здесь используется монохроматическое излучение (l = const), а варьируется угол q. Это достигается использованием поликристаллического образца, состоящего из многочисленных мелких кристаллитов случайной ориентации, среди которых имеются и удовлетворяющие условию Брэгга - Вульфа. Дифрагированные пучки образуют конусы, ось которых направлена вдоль пучка рентгеновского излучения. Для съемки обычно используется узкая полоска рентгеновской пленки в цилиндрической кассете, а рентгеновские лучи распространяются по диаметру через отверстия в пленке.

По дебаеграмме можно судить о характере холодной обработки материала. Исследование размеров зерен. Если размер зерен поликристалла более 10-3 см, то линии на дебаеграмме будут состоять из отдельных пятен, поскольку в этом случае число кристаллитов недостаточно для того, чтобы перекрыть весь диапазон значений углов q. Если же размер кристаллитов менее 10-5 см, то дифракционные линии становятся шире. Их ширина обратно пропорциональна размеру кристаллитов. Уширение происходит по той же причине, по которой при уменьшении числа щелей уменьшается разрешающая способность дифракционной решетки. Рентгеновское излучение позволяет определять размеры зерен в диапазоне 10-7-10-6 см.

Методы для монокристаллов. Чтобы дифракция на кристалле давала информацию не только о пространственном периоде, но и об ориентации каждой совокупности дифрагирующих плоскостей, используются методы вращающегося монокристалла. На кристалл падает монохроматический пучок рентгеновского излучения. Кристалл вращается вокруг главной оси, для которой выполняются уравнения Лауэ. При этом изменяется угол q, входящий в формулу Брэгга - Вульфа. Дифракционные максимумы располагаются в месте пересечения дифракционных конусов Лауэ с цилиндрической поверхностью пленки. Однако возможны осложнения из-за перекрытия разных дифракционных порядков в одной точке. Метод может быть значительно усовершенствован, если одновременно с вращением кристалла перемещать определенным образом и пленку.

Исследования жидкостей и газов.

Известно, что жидкости, газы и аморфные тела не обладают правильной кристаллической структурой. Но и здесь между атомами в молекулах существует химическая связь, благодаря которой расстояние между ними остается почти постоянным, хотя сами молекулы в пространстве ориентированы случайным образом. Такие материалы тоже дают дифракционную картину с относительно небольшим числом размытых максимумов. Обработка такой картины современными методами позволяет получить информацию о структуре даже таких некристаллических материалов.

Спектрохимический рентгеновский анализ

Уже через несколько лет после открытия рентгеновских лучей Ч.Баркла (1877-1944) обнаружил, что при воздействии потока рентгеновского излучения высокой энергии на вещество возникает вторичное флуоресцентное рентгеновское излучение, характеристическое для исследуемого элемента. Вскоре после этого Г.Мозли в серии своих экспериментов измерил длины волн первичного характеристического рентгеновского излучения, полученного электронной бомбардировкой различных элементов, и вывел соотношение между длиной волны и атомным номером. Эти эксперименты, а также изобретение Брэггом рентгеновского спектрометра заложили основу для спектрохимического рентгеновского анализа.

Возможности рентгеновского излучения для химического анализа были сразу осознаны. Были созданы спектрографы с регистрацией на фотопластинке, в которых исследуемый образец выполнял роль анода рентгеновской трубки. К сожалению, такая техника оказалась очень трудоемкой, а потому применялась лишь тогда, когда были неприменимы обычные методы химического анализа. Выдающимся примером новаторских исследований в области аналитической рентгеноспектроскопии стало открытие в 1923 Г.Хевеши и Д.Костером нового элемента - гафния. Разработка мощных рентгеновских трубок для рентгенографии и чувствительных детекторов для радиохимических измерений во время Второй мировой войны в значительной степени обусловила быстрый рост рентгеновской спектрографии в последующие годы. Этот метод получил широкое распространение благодаря быстроте, удобству, неразрушающему характеру анализа и возможности полной или частичной автоматизации. Он применим в задачах количественного и качественного анализа всех элементов с атомным номером более 11 (натрий). И хотя рентгеновский спектрохимический анализ обычно используется для определения важнейших компонентов в образце (с содержанием 0,1-100%), в некоторых случаях он пригоден для концентраций 0,005% и даже ниже.

Рентгеновский спектрометр. Современный рентгеновский спектрометр состоит из трех основных систем: системы возбуждения, т.е. рентгеновской трубки с анодом из вольфрама или другого тугоплавкого материала и блоком питания; системы анализа, т.е. кристалла-анализатора с двумя многощелевыми коллиматорами, а также спектрогониометра для точной юстировки; и системы регистрации со счетчиком Гейгера либо пропорциональным или сцинтилляционным счетчиком, а также выпрямителем, усилителем, пересчетными устройствами и самописцем или другим регистрирующим устройством.

Основные блоки прибора: блок возбуждения образца (с рентгеновской трубкой), блок анализа с плоским кристаллом-анализатором и коллиматорами и блок регистрации с электронным детектором.

Рентгеновский флуоресцентный анализ. Анализируемый образец располагается на пути возбуждающего рентгеновского излучения. Исследуемая область образца обычно выделяется маской с отверстием нужного диаметра, а излучение проходит через коллиматор, формирующий параллельный пучок. За кристаллом-анализатором щелевой коллиматор выделяет дифрагированное излучение для детектора. Обычно максимальный угол q ограничивается значениями 80-85°, так что дифрагировать на кристалле-анализаторе может только то рентгеновское излучение, длина волны l которого связана с межплоскостным расстоянием d неравенством l < 1,95d. Максимальной же разрешающей способности можно добиться, уменьшая величину d. Наилучшие результаты получены с кристаллами-анализаторами из топаза, фторида лития, хлорида натрия, кварца и др. Кроме того, в спектрометрах с изогнутыми кристаллами, о которых говорится ниже, иногда используются кристаллы слюды и гипса.

Рентгеновский микроанализ. Описанный выше спектрометр с плоским кристаллом-анализатором может быть приспособлен для микроанализа. Это достигается сужением либо первичного пучка рентгеновского излучения, либо вторичного пучка, испускаемого образцом. Однако уменьшение эффективного размера образца или апертуры излучения приводит к уменьшению интенсивности регистрируемого дифрагированного излучения. Улучшение этого метода может быть достигнуто применением спектрометра с изогнутым кристаллом, позволяющего регистрировать конус расходящегося излучения, а не только излучение, параллельное оси коллиматора. При помощи такого спектрометра можно идентифицировать частицы размером менее 25 мкм. Еще большее уменьшение размера анализируемого образца достигается в электронно-зондовом рентгеновском микроанализаторе, изобретенном Р.Кастэном. Здесь остросфокусированным электронным лучом возбуждается характеристическое рентгеновское излучение образца, которое затем анализируется спектрометром с изогнутым кристаллом. С помощью такого прибора удается обнаруживать количества вещества порядка 10-14 г в образце диаметром 1 мкм. Были также разработаны установки с электроннолучевым сканированием образца, с помощью которых можно получить двумерную картину распределения по образцу того элемента, на характеристическое излучение которого настроен спектрометр.

Медицинская рентгенодиагностика

Развитие техники рентгеновских исследований позволило значительно сократить время экспозиции и улучшить качество изображений, позволяющих изучать даже мягкие ткани.

Флюорография. Этот метод диагностики заключается в фотографировании теневого изображения с просвечивающего экрана. Пациент находится между источником рентгеновского излучения и плоским экраном из люминофора (обычно иодида цезия), который под действием рентгеновского излучения светится. Биологические ткани той или иной степени плотности создают тени рентгеновского излучения, имеющие разную степень интенсивности. Врач-рентгенолог исследует теневое изображение на люминесцентном экране и ставит диагноз.

В прошлом рентгенолог, анализируя изображение, полагался на зрение. Сейчас имеются разнообразные системы, усиливающие изображение, выводящие его на телевизионный экран или записывающие данные в памяти компьютера.

Рентгенография. Запись рентгеновского изображения непосредственно на фотопленке называется рентгенографией. В этом случае исследуемый орган располагается между источником рентгеновского излучения и фотопленкой, которая фиксирует информацию о состоянии органа в данный момент времени. Повторная рентгенография дает возможность судить о его дальнейшей эволюции.

Рентгенография позволяет весьма точно исследовать целостность костных тканей, которые состоят в основном из кальция и непрозрачны для рентгеновского излучения, а также разрывы мышечных тканей. С ее помощью лучше, чем стетоскопом или прослушиванием, анализируется состояние легких при воспалении, туберкулезе или наличии жидкости. При помощи рентгенографии определяются размер и форма сердца, а также динамика его изменений у пациентов, страдающих сердечными заболеваниями.

Контрастные вещества. Прозрачные для рентгеновского излучения части тела и полости отдельных органов становятся видимыми, если их заполнить контрастным веществом, безвредным для организма, но позволяющим визуализировать форму внутренних органов и проверить их функционирование. Контрастные вещества пациент либо принимает внутрь (как, например, бариевые соли при исследовании желудочно-кишечного тракта), либо они вводятся внутривенно (как, например, иодсодержащие растворы при исследовании почек и мочевыводящих путей). В последние годы, однако, эти методы вытесняются методами диагностики, основанными на применении радиоактивных атомов и ультразвука.

Компьютерная томография. В 1970-х годах был развит новый метод рентгеновской диагностики, основанный на полной съемке тела или его частей. Изображения тонких слоев («срезов») обрабатываются компьютером, и окончательное изображение выводится на экран монитора. Такой метод называется компьютерной рентгеновской томографией. Он широко применяется в современной медицине для диагностики инфильтратов, опухолей и других нарушений мозга, а также для диагностики заболеваний мягких тканей внутри тела. Эта методика не требует введения инородных контрастных веществ и потому является быстрой и более эффективной, чем традиционные методики.

Биологическое действие рентгеновского излучения

Вредное биологическое действие рентгеновского излучения обнаружилось вскоре после его открытия Рентгеном. Оказалось, что новое излучение может вызвать что-то вроде сильного солнечного ожога (эритему), сопровождающееся, однако, более глубоким и стойким повреждением кожи. Появлявшиеся язвы нередко переходили в рак. Во многих случаях приходилось ампутировать пальцы или руки. Случались и летальные исходы. Было установлено, что поражения кожи можно избежать, уменьшив время и дозу облучения, применяя экранировку (например, свинец) и средства дистанционного управления. Но постепенно выявились и другие, более долговременные последствия рентгеновского облучения, которые были затем подтверждены и изучены на подопытных животных. К эффектам, обусловленным действием рентгеновского излучения, а также других ионизирующих излучений (таких, как гамма-излучение, испускаемое радиоактивными материалами) относятся:

1) временные изменения в составе крови после относительно небольшого избыточного облучения;

2) необратимые изменения в составе крови (гемолитическая анемия) после длительного избыточного облучения;

3) рост заболеваемости раком (включая лейкемию);

4) более быстрое старение и ранняя смерть;

5) возникновение катаракт.

Ко всему прочему, биологические эксперименты на мышах, кроликах и мушках (дрозофилах) показали, что даже малые дозы систематического облучения больших популяций вследствие увеличения темпа мутации приводят к вредным генетическим эффектам. Большинство генетиков признает применимость этих данных и к человеческому организму. Что же касается биологического воздействия рентгеновского излучения на человеческий организм, то оно определяется уровнем дозы облучения, а также тем, какой именно орган тела подвергался облучению. Так, например, заболевания крови вызываются облучением кроветворных органов, главным образом костного мозга, а генетические последствия - облучением половых органов, могущим привести также и к стерильности.

Накопление знаний о воздействии рентгеновского излучения на организм человека привело к разработке национальных и международных стандартов на допустимые дозы облучения, опубликованных в различных справочных изданиях.

Кроме рентгеновского излучения, которое целенаправленно используется человеком, имеется и так называемое рассеянное, побочное излучение, возникающее по разным причинам, например вследствие рассеяния из-за несовершенства свинцового защитного экрана, который это излучение не поглощает полностью. Кроме того, многие электрические приборы, не предназначенные для получения рентгеновского излучения, тем не менее генерируют его как побочный продукт. К таким приборам относятся электронные микроскопы, высоковольтные выпрямительные лампы (кенотроны), а также кинескопы устаревших цветных телевизоров. Производство современных цветных кинескопов во многих странах находится сейчас под правительственным контролем.

Опасные факторы рентгеновского излучения

Виды и степень опасности рентгеновского облучения для людей зависят от контингента лиц, подверженных облучению.

Профессионалы, работающие с рентгеновской аппаратурой. Эта категория охватывает врачей-рентгенологов, стоматологов, а также научно-технических работников и персонал, обслуживающий и использующий рентгеновскую аппаратуру. Принимаются эффективные меры по снижению уровня радиации, с которым им приходится иметь дело.

Пациенты. Строгих критериев здесь не существует, и безопасный уровень облучения, который получают пациенты во время лечения, определяется лечащими врачами. Врачам не рекомендуется без необходимости подвергать пациентов рентгеновскому обследованию. Особую осторожность следует проявлять при обследовании беременных женщин и детей. В этом случае принимаются специальные меры.

Методы контроля. Здесь имеются в виду три аспекта:

1) наличие адекватного оборудования,

2) контроль за соблюдением правил техники безопасности,

3) правильное использование оборудования.

При рентгеновском обследовании воздействию облучения должен подвергаться только нужный участок, будь то стоматологические обследования или обследование легких. Заметим, что сразу после выключения рентгеновского аппарата исчезает как первичное, так и вторичное излучение; отсутствует также и какое-либо остаточное излучение, о чем не всегда знают даже те, кто по своей работе с ним непосредственно связан.

Описание технических параметров рентгенаппаратов

ОСНОВНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ РЕНТГЕНОЛОГИЧЕСКОГО АППАРАТА

Питающие устройства стационарных рентгенодиагностических аппаратов

В зарубежном рентгеноаппаратостроении питающие устройства стационарных рентгенодиагностических аппаратов автономны от устройств для применения лучей и представляют собой отдельные изделия. В табл. 1 в качестве примера приведены типы питающих устройств, выпускаемых заводом ТУР (ГДР) и фирмой Сименс. Эти типы достаточно характерны для большинства западноевропейских фирм.

Состав питающих устройств предприятия ТУР сведен к трем наиболее характерным для современного рентгеноаппаратостроения типам. Первый из них можно условно считать питающим устройством средней мощности, два других -- питающими устройствами большой мощности. Состав питающих устройств фирмы Сименс более широк.

Четыре первых типа образуют группу устройств средней мощности, остальные три -- группу устройств большой мощности. «Гелиофос-4» и «Гелио-фос-5» представляют собой модификации одного типа. То же можно сказать в отношении устройств «Гигантос» и «Гигантос-Е».

Таблица 1

Примеры питающих устройств к стационарным рентгенодиагностическим аппаратам общего назначения

Изготовитель	Название питающего устройства	Схема выпрямления	Предельные электрические режимы	Наименьшая уставка выдержки	Число присоеденяемых излучателей
Завод ТУР	ТУР-350	Однофазная двухполупериодная 125 кВ,	55 кВ, 230 мА 350 мА 500 мА	0,01	2
Завод ТУР	ТУР-700	Трехфазная с шести-фазным выпрямлением	125 кВ, 90 кВ, 70 кВ, 260 мА 600 мА 700 мА	0,01	2 (4)
Завод ТУР	ТУР-1001	Трехфазная с шести-фазным выпрямлением	150 кВ, 120 кВ, 100 кВ, 400 мА 800 мА 1 000 мА	0,003	4
Сименс	Плеофос-4	Однофазная днухполупёриодная	125 кВ, 90 кВ, 160 мА 320 мА	0,04	2
	Гелиофос-4	Однофазная днухполупёриодная	125 кВ, 90 кВ, 300 мА 500 мА	0,02	2
	Гелиофос-5	Однофазная днухполупёриодная	150 кВ, 90 кВ, 250 мА 500 мА	0,02	2
	150 кВ, 90 кВ, 250 мА 500 мА	Трехфазная с шестифазным выпрямлением	125 кВ, 100 кВ, 75 кВ, 160 мА 320 мА 400 мА	0,01	2
	Тридорос-5	Трехфазная с шестифазным выпрямлением	125 кВ, 100 кВ, 60 кВ, 400 мА 600 мА 800 мА	0,01	2 (4)
	Гигантос-Е	Трехфазная с шестифазным выпрямлением	150 кВ, 100 кВ, 80 кВ, 500 мА 1 000 мА 1 250 мА	0,001	2 (4)

Из табл. 1 видно, что в устройствах средней мощности применяется, как правило, однофазное выпрямление. В то же время использование здесь (как в устройстве «Триомат-2») трехфазного выпрямления ввиду его преимуществ представляется достаточно целесообразным. Системы установки режима при снимках, используемых в некоторых питающих устройствах большой мощности:

В устройстве ТУР-700 имеются три системы установки режима:

а) система кВ-мКл-%,

б) система установки по «световым числам»

в) система с падающей нагрузкой.

В первом случае посредством трех рукояток независимо устанавливаются напряжение, количество электричества и коэффициент нагрузки трубки. Специальное электронное устройство выбирает значения тока и выдержки, соответствующие основным установленным величинам (и выбранному фокусу), и одновременно служит для защиты трубки от перегрузки; выдержка указывается при этом на отдельной шкале.

Система установки по «световым числам» дает возможность, выбрав заранее «относительную жесткость излучения» и коэффициент нагрузки, оперировать одной из рукояток «кВ» или «мКл», которые в этом случае сцеплены друг с другом и определяют связанные значения киловольт и милликулонов, соответствующие ряду «световых чисел». Нужное световое число выбирается по специальной таблице экспозиций и устанавливается с помощью одной из указанных рукояток по специальной шкале. Упомянутое выше электронное устройство выполняет свои функции и в этом случае.

Во всех упоминавшихся питающих устройствах имеется автоматическая коррекция напряжения сети. Регулировка напряжения (и тока) при просвечиваниях отделена от систем установки режима при снимках. Предельное напряжение просвечиваний--100--110 кВ. Имеется реле времени с предельной уставкой 5--10 мин, сигнализирующее об истечении установленной выдержки для ограничения времени облучения рентгенолога и пациента при просвечиваниях. Некоторые питающие устройства приспособлены для присоединения к ним специального дозиметра (счетчика дозы) для учета радиационной нагрузки пациента.

Исследования на поворотном столе-штативе.

Устройства для применения рентгеновских лучей в рентгенодиагностике, которые характерны для стационарных аппаратов общего назначения: Основным устройством является поворотный стол-штатив для исследований пациента в различных положениях. Опорная стенка стола-штатива вместе с пациентом может поворачиваться (посредством электропривода) вокруг горизонтальной оси. Одновременно перемещаются также рентгеновский излучатель и экрано- снимочное устройство. Они связаны между собою так, что центральный луч, исходящий из излучателя, всегда проходит через центр экрана на экрано- снимочном устройстве; в то же время это последнее может перемещаться.

По направлению Центрального луча, т. ё. приближаться и удаляться от опорной стенки. Кроме того, экрано- снимочное устройство и излучатель могут совместно перемещаться вдоль опорной стенки и в некоторых пределах-- поперек нее. В большинстве современных поворотных столов-штативов сама опорная стенка также может перемещаться вдоль своего основания (т. е. корпуса стола-штатива). Это последнее перемещение всегда осуществляется с помощью электропривода. Электропривод часто применяется также для продольного перемещения экрано-снимочного устройства (вместе с излучателем).

Стабилизация работы питающего устройства

Входное напряжение питающего устройства (и всего рентгеновского аппарата в целом) постоянно колеблется из-за изменений общей нагрузки сети. Изменение входного напряжения в свою очередь сказывается на анодном напряжении рентгеновской трубки и напряжении накала трубки, от которого в сильной степени зависит ее анодный ток.

Колебания анодного напряжения и анодного тока вызывают колебания мощности, воспринимаемой анодом трубки, и интенсивности генерируемого ею рентгеновского излучения. Колебания напряжения сети влияют также на напряжение других (помимо цепи накала трубки) вспомогательных цепей.

Полная стабилизация работы рентгеновского питающего устройства преследует цель -- сделать независимой от колебаний напряжения сети всю работу, а именно:

а) стабилизировать анодное напряжение рентгеновской трубки;

б) стабилизировать анодный ток рентгеновской трубки;

в) стабилизировать работу всех вспомогательных цепей.

Конечной целью является стабилизация рентгеновского излучения, генерируемого трубкой, и сохранение нужного режима для всех элементов питающего устройства.

Полная стабилизация может быть достигнута посредством устройства, автоматически корректирующего напряжение сети. В этом случае одно устройство стабилизирует напряжение и в главной и во вспомогательных цепях. Полная стабилизация может быть осуществлена также в виде раздельной стабилизации главной цепи и вспомогательных цепей (включая цепь накала трубки), что требует, естественно, и двух стабилизирующих устройств.

Системы регулировок рентгенодиагностического аппарата

а) Предварительная установка режима.

Современные рентгенодиагностические аппараты имеют системы регулировок, позволяющие устанавливать режим снимка до включения высокого напряжения.

б) Регулировка напряжения.

Регулировка напряжения на трубке в рентгенодиагностических аппаратах (как и в аппаратах другого назначения) обычно осуществляется при помощи регулировочного автотрансформатора.

В стационарных аппаратах регулировка при просвечиваниях отделяется от регулировки при снимках.

в) Регулировка тока.

В современных рентгенодиагностических аппаратах при снимках, как правило, применяется ступенчатая регулировка анодного тока трубки, при просвечиваниях -- плавная регулировка.

г) Регулировка выдержки.

В рентгенодиагностических аппаратах, для регулировки выдержки обычно используются конденсаторные (релаксационные) реле времени. Они легко позволяют при ступенчатой регулировке воспроизводить логарифмический ряд уставок.

В настоящее время в рентгенодиагностичееких аппаратах для включения и отключения главной цепи начинают применяться тиристоры, в совершенствовании которых за последние годы достигнуты большие успехи. Системы синхронизированной однофазной и трехфазной коммутации с использованием так называемых «симметричных» тиристоров, обладающих двусторонней проводимостью и заменяющих ячейку из двух простых тиристоров, включенных встречно-параллельно, Подобная же система применена в однофазном рентгенодиагностическом аппарате РУМ-22.

В этих системах тиристоры включаются на первичной стороне главного трансформатора в цепь переменного тока, а потому все особенности, связанные с периодичностью напряжения, с которыми приходится иметь дело при использовании электромагнитных контакторов (или ионных приборов), сохраняются и для тиристоров.

д) Защита трубки от перегрузки.

Защита трубки от перегрузки в диагностических аппаратах обычно преследует ограниченную цель -- защищать трубку при одиночных снимках. Настоятельная потребность в такой защите обусловливается тем, что трубка работает при снимке в неустановившемся тепловом режиме и температура фокусного пятна при больших нагрузках в течение долей секунды приближается к предельно допустимому значению.

Распространение получили такие системы защиты, при которых автоматически не допускается включения высокого напряжения, если при предварительно установленных значениях регулируемых величин нагрузка трубки должна превзойти предельную (коэффициент нагрузки превысит единицу).

Таким образом, устройства для защиты трубки от перегрузки органически связаны с устройствами для предварительной установки режима и их часто называют вместе автоматикой рентгенодиагностического аппарата. Становление этой автоматики происходило в середине 30-х гг.

1.4 Реле экспозиции и падающая нагрузка

а) Реле экспозиции. Реле экспозиции представляет собой устройство, предназначаемое для отключения высокого напряжения после того как пленка облучена до такой степени, что после проявления достигается необходимая плотность почернения. Существуют два основных типа реле экспозиции -- фотометрический и ионометрический . В реле фотометрического типа свечение под действием рентгеновских лучей флуоресцирующего экрана воспринимается фотоэлементом или фотоэлектронным умножителем и преобразуется в фототок;

в реле ионометрического типа вместо флуоресцирующего экрана используется ионизационная камера. Интегрирующий элемент дает сигнал на отключение высокого напряжения после того, как в должной мере были облучены в первом случае -- экран, во втором -- камера.

б) Падающая нагрузка.

Падающая нагрузка была предложена в первой половине 30-х гг. с целью максимального сокращения выдержки снимка. Принцип такой падающей нагрузки представлен на рис. 4.

В течение очень короткого начального промежутка времени (около 0,01 с) анод рентгеновской трубки воспринимает столь большую мощность, что фокус приобретает температуру, близкую к предельно допустимой. Затем мощность плавно снижается по такому закону, чтобы температура фокуса оставалась неизменной. Для точного нормирования условий снимка должны быть предусмотрены устройства, поддерживающие напряжение на трубке в процессе всей экспозиции на заданном уровне.

СТАЦИОНАРНЫЕ АППАРАТЫ (РУМ-22)

В стационарных рентгенодиагностических аппаратах общего назначения,, питающее устройство обычно допускает присоединение двух и более рентгеновских излучателей и позволяет обслуживать несколько рабочих мест. Это разрешает изменять состав аппарата, варьируя рабочие места.

Описание аппарата в весьма распространенном составе: один из двух излучателей укреплен на поворотном столе-штативе за его опорной стенкой. Поворотный стол-штатив оснащен экраноснимочным устройством (с отсеивающей решеткой) и позволяет осуществлять просвечивания и снимки (в том числе и прицельные) при вертикальном, горизонтальном и на клонном положениях пациента. Второй излучатель находится на вертикальном штативе и обслуживает стол и стенку для снимков. Стол и стенка снабжены своими подвижными отсеивающими решетками.

Поворотный стол-штатив как бы обслуживается двумя излучателями, одним -- укрепленным на нем самом (за опорной стенкой), другим -- на отдельном вертикальном штативе. Поворотный стол-штатив имеет упрощенное экранно-снимочное устройство и подвижную отсеивающую решетку в опорной стенке.

Аппарат РУМ-22 рассчитан примерно на те же параметры, что и аппарат РУМ-10, а именно 150 кВ, 250 мА и 100 кВ, 400 мА. В нем используется та же схема выпрямления с теми же кенотронами. Аппарат предназначается для работы с рентгеновскими трубками с вращающимся анодом типов 14-30-БД-150 и 2-30-БД-150; аноды этих трубок имеют повышенную по сравнению с трубками к аппарату РУМ-10 теплоемкость.

Аппарат имеет такую же регулировку напряжения и упрощенную систему компенсации падения напряжения, вызывающую повышенные погрешности. Вместо ручной коррекции напряжения сети применена автоматическая. Синхронизированное реле времени (с тиристорным контактором) имеет интервал уставок от 0,01 до 6 с. В аппарате использована такая же система защиты трубки от перегрузки.

Помимо системы уставок кВ-мА-с (с указателем числа милликулонов) в аппарате РУМ-22 в качестве дублирующей применена также система п адающей нагрузки.

При этом ток спадает во времени плавно, компенсаций же падения напряжения -- ступенчатая и осуществляется включением дополнительных резисторов в первичной цепи главного трансформатора. Коэффициент нагрузки трубки имеет величину порядка 0,6 --0,7.

Система с падающей нагрузкой предназначается для работы с реле экспозиции только с фокусом мощностью 30 кВт. При этом обеспечивается плавное изменение во время экспозиции как анодного тока трубки, так и компенсации падения напряжения; последнее достигается перемещением щеток вариатора.

УСИЛИТЕЛИ ЯРКОСТИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ, РЕНТГЕНОКИНОСЪЕМКА И РЕНТГЕНОТЕЛЕВИДЕНИЕ

Усилитель яркости рентгеновского изображения

Такой усилитель имеет назначением получить визуально наблюдаемое рентгеновское изображение значительно большей яркости, чем на экране для просвечивания. В настоящее время усилители яркости, как правило, применяются совместно с рентгенотелевизионными устройствами. Здесь мы кратко опишем электронно-оптические усилители яркости рентгеновского изображения, являющиеся наиболее распространенными.

В течение достаточно долгого времени, предшествовавшего внедрению телевизионных устройств, такие усилители применялись независимо, соединяясь с устройствами для визуального просвечивания, в частности с поворотными столами-штативами. В последнем случае они сочленяются с экрано- снимочными устройствами, заменяя в последних экран для просвечивания; для поддержки усилителя используется отдельный потолочный уравновешиватель.

Электронно-оптический усилитель яркости рентгеновского изображения состоит из трех основных частей:

а) электровакуумного прибора, который принято называть рентгеновским электронно-оптическим преобразователем (РЭОП),

б) электрического устройства, питающего этот преобразователь

в) оптической системы для рассматривания рентгеновского изображения.

Мы остановимся здесь на конструкции электронно-оптического преобразователя, являющегося главной частью усилителя.

Рентгеновские лучи, пройдя сквозь объект и стеклянную стенку преобразователя, воздействуют на находящийся в вакууме флуоресцирующий экран, подобный обычному экрану для просвечивания. Свечение экрана вызывает освобождение электронов из фотокатода, расположенного (по ходу лучей) за экраном вдоль всей его поверхности. В любой точке фотокатода ЧИСЛО электронов, освобождаемых в секунду, пропорционально яркости свечения экрана в соответствующей точке. Таким образом, светящееся изображение преобразуется в электронное изображение. При помощи электрического поля, создаваемого электродами (электронными линзами), находящимися под напряжением примерно 25 кВ, это изображение воспроизводится на втором флуоресцирующем экране (телевизионного типа) примерно с десятикратным уменьшением размеров. Это уменьшенное изображение рассматривается через оптическую систему, дающую такое же увеличение и возвращающую изображение к его первоначальным размерам.

...